计算机科学入门

计算机的心脏是 中央处理单元 ，简称 " CPU "，CPU 负责执行程序，程序由一个个操作组成，这些操作叫 指令 (Instruction) 因为它们 "指示" 计算机要做什么，如果是数学指令，比如加/减，CPU 会让 ALU 进行数学运算，也可能是内存指令，CPU 会和内存通信，然后读/写值。

CPU

我们可以给 CPU 支持的所有指令分配一个 ID。

这里的指令都是自定义的，接下来的所有线路都要根据这个来进行设置。

我们假设用前 4 位二进制数存 操作代码 （operation code），后 4 位二进制数代表数据来自哪里，可以是寄存器或内存地址。

我们还需要两个寄存器：

一个寄存器追踪程序运行到哪里了，我们叫它 指令地址寄存器 （instruction address register），顾名思义，存当前指令的内存地址。
另一个寄存器存当前指令，叫 指令寄存器 （instruction register），

当启动计算机时，所有寄存器从 0 开始，CPU 指令会经过几个阶段

取指令阶段

取指令阶段，负责 拿到指令 。

首先，将 指令地址寄存器 连到 RAM，寄存器的值为 0，因此 RAM 返回地址 0 的值。

地址 0 中的 0010 1110 会复制到 指令寄存器 里。

解码阶段

指令由 控制单元 进行解码，就像之前的所有东西， 控制单元 也是逻辑门组成的，我们需要一个电路，来识别 操作码 ，比如，在这里操作码 0010 被识别到了。

前 4 位 0010 是 LOAD A 指令，意思是，把 RAM 的值放入寄存器 A。

现在知道了是什么指令，就可以开始执行了。

执行阶段

后 4 位 1110 是 RAM 的地址, 转成十进制是 14，因此要去 RAM 的 14 号地址。因为之前校验操作码 0010 通过了，因此结果是 True，可以用这个结果打开 RAM 的 允许读取线 。

这时候我们拿到了 RAM 中的数据 0000 0011 ，根据指令 LOAD A ，它的要求是把 RAM 的值放入寄存器 A，也就是把 0000 0011 放入寄存器 A 。我们依旧可以用这条校验线打开寄存器 A 的 允许写入线 ，然后把 0000 0011 放入，至此，我们就完成了操作码 0010 1110 的操作。

既然指令完成了，我们可以关掉所有线路，去拿下一条指令，我们把 指令地址寄存器 +1，"执行阶段"就此结束。

控制单元

当然了，其他指令可能会操作其他的寄存器，因此真正的线路要比这个复杂得多，我们将它包装起来。

接下来让我们看看第二个指令，将 RAM 中的 00000001 也就是 1 号数据放入 指令寄存器 。

接着解码发现 0001 指令是 LOAD_B

就像 LOAD_A 一样，将 RAM 中 1111 号位置，也就是 15 号位的数据放入寄存器 B。

最后，将 指令地址寄存器 的数字 +1。

计算

接下来让我们看看第二个指令，将 RAM 中的 00000010，也就是 2 号数据放入 指令寄存器 。

通过解码发现这是 ADD 指令，这个和前面两个指令不同，它说后面 4 位分别是两个寄存器的 ID。

0100 分为 01 和 00 ，也就是 0 号寄存器和 1 号寄存器。

因为要进行计算，所以要加入以前学过的 ALU 。

根据指示，将寄存器 A 和寄存器 B 的数据放入 ALU，并且放入加法的指令码。

最后，结果应该存到寄存器 A，但不能直接写入寄存器 A，这样新值会进入 ALU ，不断和自己相加，因此，控制单元用一个自己的寄存器暂时保存结果。

接着关闭 ALU ，将计算结果写入寄存器 A 。

将 指令地址寄存器 的数字 +1，至此，就完成了一个计算过程。

储存

接下来让我们看看第三个指令，将 RAM 中的 00000011，也就是 3 号数据放入 指令寄存器 。

通过解码发现这是 STORE 指令，把寄存器 A 的值放入 RAM 地址 1101 也就是 13 号。

这次不是 允许读取 ，而是 允许写入 ，同时，打开寄存器 A 的 允许读取 ，这样就可以把寄存器 A 里的值，传给 RAM。

将 指令地址寄存器 的数字 +1，当然，在这个例子中 RAM 的 4 号位已经没有指令了，因此会引发一些错误，我们需要一个 结束标志 让 指令地址寄存器 不再继续，这个我们下次再讲。

恭喜，我们刚运行了第一个电脑程序！它从内存中加载两个值，相加，然后把结果放回内存。

时钟

取指令→解码→执行 必须以一定的周期进行，因为就算是电也要一定时间来传输，如果过快上一个指令还没完成，下个指令就来了。

负责管理 CPU 的节奏的东西叫 时钟 ，时钟以精确的间隔触发电信号，CPU 取指令→解码→执行 的速度叫 时钟速度 ，单位是赫兹（赫兹是用来表示频率的单位），1 赫兹代表一秒 1 个周期。

第一个单芯片 CPU 是 英特尔 4004 1971 年发布的 4 位CPU。它的微架构很像我们之前说的 CPU 。

虽然是第一个单芯片的处理器，但它的时钟速度达到了 740 千赫兹，也就是 1 秒处理 74 万次。

但和现在的 CPU 相比不值一提，最新的 英特尔i9-11900K 的最大睿频频率是 6.00 GHz，也就是每秒 60 亿次运算。

超频与降频

你可能听过有人会把计算机超频，意思是修改时钟速度，加快 CPU 的速度，芯片制造商经常给 CPU 留一点余地，可以接受一点超频。但超频太多会让 CPU 过热，或产生乱码，因为信号跟不上时钟。

你可能很少听说降频，但降频其实很有用，有时没必要让处理器全速运行，省电对用电池的设备很重要。